1、計算機網絡第第3章章 數據通信技術基礎數據通信技術基礎機械工業出版社機械工業出版社 ISBN 978-7-111-44520-3計算機網絡本章學習內容及要求本章學習內容及要求 熟悉熟悉數據通信的基本概念數據通信的基本概念 掌握掌握信道復用技術、編碼技術、交換技術信道復用技術、編碼技術、交換技術差錯控制技術的原理和實現方法差錯控制技術的原理和實現方法網絡傳輸時延計算方法網絡傳輸時延計算方法網絡傳輸介質的選用方法網絡傳輸介質的選用方法 了解了解無線及移動通信的發展歷史無線及移動通信的發展歷史計算機網絡3.1 數據通信基本知識數據通信基本知識 3.1.1 信息、數據與信號信息、數據與信號 3.1.2

2、 通信的基本要求通信的基本要求 3.1.3 數據通信系統模型數據通信系統模型 3.1.4 信道的最大容量信道的最大容量 3.1.5 計算機網絡中的速率計算機網絡中的速率 3.1.6 基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸 3.1.7 通信雙方的交互方向通信雙方的交互方向 3.1.8 計算機網絡中的時延及計算計算機網絡中的時延及計算 3.1.9 異步傳輸和同步傳輸異步傳輸和同步傳輸計算機網絡3.1.1 信息、數據與信號信息、數據與信號 信息、數據與信號是重要的概念信息、數據與信號是重要的概念 信息是在人們之間傳遞的知識，數據是信息的具體表現信息是在人們之間傳遞的知識，數據是信息的具體表現形式，其本

3、身是各種各樣的物理符號或它們的組合形式，其本身是各種各樣的物理符號或它們的組合 信息涉及到數據的內容和解釋信息涉及到數據的內容和解釋信號是數據的電子或電磁編碼，數據必須經過編碼轉換信號是數據的電子或電磁編碼，數據必須經過編碼轉換為電信號后才能在傳輸介質中傳輸為電信號后才能在傳輸介質中傳輸數據和信號都有兩種不同的形式數據和信號都有兩種不同的形式 一種稱為模擬數據和信號一種稱為模擬數據和信號 另一種稱為數字數據和信號另一種稱為數字數據和信號存在兩種數據、兩種信號，就有四種類型的編碼組合存在兩種數據、兩種信號，就有四種類型的編碼組合 即數字數據分別編碼成數字信號或模擬信號即數字數據分別編碼成數字信號

4、或模擬信號 模擬數據分別編碼成模擬信號或數字信號模擬數據分別編碼成模擬信號或數字信號 計算機網絡3.1.2 通信的基本要求通信的基本要求 通信的雙方完成一次通信需要滿足三個基通信的雙方完成一次通信需要滿足三個基本要求：本要求：一是雙方有通信的愿望一是雙方有通信的愿望二是通信的雙方之間有信息傳遞的信道，也即二是通信的雙方之間有信息傳遞的信道，也即是說通信要經過傳輸介質以及有關的傳輸設備是說通信要經過傳輸介質以及有關的傳輸設備三是通信雙方要遵循通信的規則和約定，即通三是通信雙方要遵循通信的規則和約定，即通信雙方按照通信協議傳輸信息信雙方按照通信協議傳輸信息 并能理解這些通信協議并能理解這些通信協議

5、 計算機網絡信道信道 信道與電路并不等同，信道表示信號的通路，一信道與電路并不等同，信道表示信號的通路，一般是用來表示向某一個方向傳輸信息的媒體般是用來表示向某一個方向傳輸信息的媒體一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道 信道與傳輸介質也是有區別的信道與傳輸介質也是有區別的傳輸介質是指用于連接兩個或多個網絡節點的物理傳傳輸介質是指用于連接兩個或多個網絡節點的物理傳輸線路輸線路 通信信道建立在傳輸介質之上通信信道建立在傳輸介質之上包括傳輸介質和通信設備包括傳輸介質和通信設備 計算機網絡差錯率與誤碼率差錯率與誤碼率由于噪聲的影響和信道帶寬的限制

6、，信號會發生失真由于噪聲的影響和信道帶寬的限制，信號會發生失真差錯率差錯率/ /誤碼率誤碼率：傳輸比特總數與其中出錯比特數的：傳輸比特總數與其中出錯比特數的比值比值 Pe = Pe = 出錯比特數出錯比特數/ /比特總數比特總數 例：例： 傳輸傳輸10000bit, 10000bit, 有有2bit2bit出錯，出錯， Pe Pe 2/100002/10000 差錯率越高表示信道的質量越差差錯率越高表示信道的質量越差 信道的差錯率與信號的傳輸速率和傳輸距離成正比信道的差錯率與信號的傳輸速率和傳輸距離成正比計算機網絡3.1.3 數據通信系統模型數據通信系統模型 一個數據通信系統由三部分組成一個數

7、據通信系統由三部分組成 源系統、傳輸系統、目的系統源系統、傳輸系統、目的系統調制解調器調制解調器 主機主機A A公用電話網公用電話網調制解調器調制解調器數字比特流數字比特流數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號模擬信號模擬信號 輸入輸入漢字漢字輸出輸出漢字漢字主機主機B B計算機網絡3.1.4 信道的最大容量信道的最大容量 信道傳輸數據的能力是受到限制的信道傳輸數據的能力是受到限制的信道的最大容量與信道的帶寬有關。信道的最大容量與信道的帶寬有關。 奈奎斯特定理的公式為（理想信道）：奈奎斯特定理的公式為（理想信道）：C = 2H log = 2H log2 2 L (bps) L (bps) 香農

8、在香農在19361936年給出了有熱噪聲信道的最大年給出了有熱噪聲信道的最大容量，香農定理的公式為：容量，香農定理的公式為：C = H log2(1+S/N) (bps) 計算機網絡3.1.5 計算機網絡中的速率計算機網絡中的速率 計算機網絡中信號的速率涉及三種：計算機網絡中信號的速率涉及三種： 傳播速率；調制速率；數據傳輸率傳播速率；調制速率；數據傳輸率 信號的傳播速率是常量信號的傳播速率是常量 傳播速率，是一個常量，與光速聯系傳播速率，是一個常量，與光速聯系調制速率也稱為碼元速率、波形速率或信號速率調制速率也稱為碼元速率、波形速率或信號速率 指的是每秒種發送信號的數目，單位為波特指的是每秒

9、種發送信號的數目，單位為波特(baud)數據傳輸率為每秒種發送的二進制位數數據傳輸率為每秒種發送的二進制位數 單位為單位為bps，讀作每秒位。，讀作每秒位。調制速率與數據傳輸率之間的關系為：調制速率與數據傳輸率之間的關系為：C = B logC = B log2 2 N (bps)N (bps) C為數據傳輸率；為數據傳輸率；B為調制速率；為調制速率；N為一個信號可能取值的個數為一個信號可能取值的個數 計算機網絡每個信號有每個信號有4種電平（狀態）的情況種電平（狀態）的情況 計算機網絡3.1.6 基帶傳輸和頻帶傳輸基帶傳輸和頻帶傳輸 把基本頻率分量對應的矩形脈沖信號稱為基本頻帶，簡稱把基本頻率

10、分量對應的矩形脈沖信號稱為基本頻帶，簡稱為基帶，對應的矩形脈沖信號稱為基帶信號為基帶，對應的矩形脈沖信號稱為基帶信號基帶傳輸就是在數字信道上直接傳送基帶信號基帶傳輸就是在數字信道上直接傳送基帶信號 帶寬與信道可以允許通過的信號的最大頻率與最低頻率有帶寬與信道可以允許通過的信號的最大頻率與最低頻率有關關 首先需要討論什么是信道的頻率特性首先需要討論什么是信道的頻率特性通常人們把單級放大器輸出功率從最大值下降到一半所對應的頻通常人們把單級放大器輸出功率從最大值下降到一半所對應的頻率范圍，稱為通頻帶寬，也稱為帶寬率范圍，稱為通頻帶寬，也稱為帶寬 頻帶傳輸是利用模擬信道傳輸數據信號，例如把計算機設頻帶

11、傳輸是利用模擬信道傳輸數據信號，例如把計算機設備輸出的信號進行調制以后再放在傳輸介質上傳輸備輸出的信號進行調制以后再放在傳輸介質上傳輸頻帶傳輸有時也稱為寬帶傳輸頻帶傳輸有時也稱為寬帶傳輸計算機網絡信道帶寬的描述信道帶寬的描述 帶寬帶寬(broad width)與信道可以允許通過的信號的最與信道可以允許通過的信號的最高頻率與最低頻率有關高頻率與最低頻率有關 計算機網絡3.1.7 通信雙方的交互方向通信雙方的交互方向 依據通信的方向討論，通信雙方信息交互的方式有依據通信的方向討論，通信雙方信息交互的方式有三種基本方式三種基本方式單向通信，只能有一個方向上的通信，即單向通信，只能有一個方向上的通信，

12、即A只能傳給只能傳給B 雙向交替通信，通信的雙方都可以發送信息，但不能同雙向交替通信，通信的雙方都可以發送信息，但不能同時發送，在某一個時刻僅存在一個方向上的通信時發送，在某一個時刻僅存在一個方向上的通信雙向同時通信，通信的雙方可以同時發送和接收信息雙向同時通信，通信的雙方可以同時發送和接收信息 這里需要指明的是這里需要指明的是上述三個基本方式是規范的術語，分別對應以前的單工、上述三個基本方式是規范的術語，分別對應以前的單工、半雙工、全雙工半雙工、全雙工計算機網絡通信雙方的交互方向通信雙方的交互方向 計算機網絡3.1.8 計算機網絡中的時延及計算計算機網絡中的時延及計算 時延（時延（Delay

13、）是指數據（）是指數據（PDU）從網絡發送端）從網絡發送端傳輸到接收端（節點之間）的時間傳輸到接收端（節點之間）的時間 時延包括傳播時延、傳輸時延、處理時延、排隊時延包括傳播時延、傳輸時延、處理時延、排隊時延、重發時延時延、重發時延 TtotalTpropTtransTprocTqueue計算機網絡3.1.9 異步傳輸和同步傳輸異步傳輸和同步傳輸 在計算機網絡和通信網絡中都是采用串行傳輸在計算機網絡和通信網絡中都是采用串行傳輸，這是由于遠，這是由于遠距離傳輸要考慮到技術實現上的要求和傳輸線路的費用距離傳輸要考慮到技術實現上的要求和傳輸線路的費用 串行傳輸在具體應用中，又分為異步和同步傳輸串行傳

14、輸在具體應用中，又分為異步和同步傳輸異步和同步傳輸都要考慮收發雙方的同步，即接收方能夠正確的區異步和同步傳輸都要考慮收發雙方的同步，即接收方能夠正確的區分所收到數據的每一位分所收到數據的每一位 異步傳輸異步傳輸是一次傳輸一個字符，字符之間有不確定的間隔，是一次傳輸一個字符，字符之間有不確定的間隔，每個字符由一位起始位標識，起始位的值為每個字符由一位起始位標識，起始位的值為0，字符由，字符由5-8位位二進制數組成，例如采用二進制數組成，例如采用ASCII編碼的字符，后跟編碼的字符，后跟1-2位停止位停止位，停止位的值為位，停止位的值為1 同步傳輸同步傳輸是一次傳輸一個數據塊，數據塊的內容可以是若

15、干是一次傳輸一個數據塊，數據塊的內容可以是若干二進制位，也可以是若干字符，每一位與前一位之間的傳輸二進制位，也可以是若干字符，每一位與前一位之間的傳輸時間是確定的，即是可知的時間是確定的，即是可知的計算機網絡 字符內部的各個比特采用固定的時間模式，字符內部的各個比特采用固定的時間模式，每個字符獨立傳輸每個字符獨立傳輸，字符之間間隔任意，用獨特的字符之間間隔任意，用獨特的起始位起始位和和終止位終止位來限定每個字來限定每個字符。傳輸效率較低符。傳輸效率較低 起起 終終 始始 止止 位位 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 位位 線路空閑線路空閑 線路空閑線路空閑起起始始

16、位位一個字符一個字符下一字符下一字符異步傳輸異步傳輸計算機網絡異步傳輸和同步傳輸圖示異步傳輸和同步傳輸圖示 計算機網絡3.2傳輸介質傳輸介質 3.2.1 傳輸介質的分類傳輸介質的分類 3.2.2 有線傳輸介質有線傳輸介質 3.2.3 無線傳輸介質無線傳輸介質 3.2.4 衛星傳輸衛星傳輸計算機網絡3.2.1 傳輸介質的分類傳輸介質的分類 傳輸介質用作信號的通路傳輸介質用作信號的通路 每一種傳輸介質在數據傳輸率、傳輸時延、安裝、維護每一種傳輸介質在數據傳輸率、傳輸時延、安裝、維護和成本上有不同的特性。適應的網絡應用環境也不同和成本上有不同的特性。適應的網絡應用環境也不同 傳輸介質分為傳輸介質分為

17、 有線傳輸介質有線傳輸介質 無線傳輸介質。無線傳輸介質。 在有線傳輸介質中在有線傳輸介質中 電信號的傳播速度是光速的三分之二，即每秒電信號的傳播速度是光速的三分之二，即每秒20萬萬Km（千米）（千米）在無線傳輸介質中在無線傳輸介質中 電信號的傳播速度等于光速，為每秒電信號的傳播速度等于光速，為每秒30萬萬Km（千米）（千米）在網絡的最低層次上，所有計算機通信都以某種能量形在網絡的最低層次上，所有計算機通信都以某種能量形式對數據進行編碼，并將這些能量通過傳輸介質發送式對數據進行編碼，并將這些能量通過傳輸介質發送 計算機網絡3.2.2 有線傳輸介質有線傳輸介質 雙絞線是由一對相互絕緣的導線纏繞在一

18、起構成雙絞線是由一對相互絕緣的導線纏繞在一起構成的，兩條導線纏繞在一起的，兩條導線纏繞在一起 雙絞線在雙絞線在Ethernet網中用得相當多，它常用作總網中用得相當多，它常用作總線型拓撲結構或星形拓撲結構連線線型拓撲結構或星形拓撲結構連線 雙絞線分為屏蔽和非屏蔽兩大類雙絞線分為屏蔽和非屏蔽兩大類在這兩大類中又分在這兩大類中又分100歐姆非屏蔽電纜、雙體電纜、大歐姆非屏蔽電纜、雙體電纜、大對數電纜、對數電纜、150歐姆屏蔽電纜和歐姆屏蔽電纜和100歐姆屏蔽電纜歐姆屏蔽電纜計算機網絡5類類UTP的特性描述的特性描述 計算機網絡雙絞線圖示及雙絞線圖示及UTP-5UTP-5的線序的線序計算機網絡同軸電

19、纜同軸電纜 同軸電纜是最早用于數據網和局域網的一種線纜類型同軸電纜是最早用于數據網和局域網的一種線纜類型它中央是銅芯，銅芯外包著一層絕緣層，絕緣層外是一層屏蔽層，它中央是銅芯，銅芯外包著一層絕緣層，絕緣層外是一層屏蔽層，屏蔽層把電線很好地包起來，再往外就是塑料外層屏蔽層把電線很好地包起來，再往外就是塑料外層 用于局域網的同軸電纜用于局域網的同軸電纜是為支持以太網設計的，用在符合是為支持以太網設計的，用在符合IEEE 802.3IEEE 802.3標準標準EthernetEthernet網絡環網絡環境中，阻抗為境中，阻抗為5050的電纜的電纜又分為又分為RG58A/URG58A/U標準的細纜、標

20、準的細纜、RG11RG11標準的粗纜，細纜的塑料外皮顏色標準的粗纜，細纜的塑料外皮顏色為黑色，粗纜的塑料外皮顏色為黃色為黑色，粗纜的塑料外皮顏色為黃色 計算機網絡光纖光纖 光纖通信系統是以光波為載體、光導纖維為傳輸光纖通信系統是以光波為載體、光導纖維為傳輸媒體的通信方式媒體的通信方式，起主導作用的是光源、光纖、起主導作用的是光源、光纖、光發送機和光接收機。可以這樣理解：光發送機和光接收機。可以這樣理解：光源是光波產生的根源光源是光波產生的根源光纖是傳輸光波的導體光纖是傳輸光波的導體光發送機的功能是產生光束光發送機的功能是產生光束,將電信號轉變成光信號將電信號轉變成光信號,再再把光信號導入光纖把

21、光信號導入光纖光接收機的功能負責接收從光纖上傳輸的光信號光接收機的功能負責接收從光纖上傳輸的光信號,并將并將它轉變成電信號它轉變成電信號,經解碼后再作相應處理經解碼后再作相應處理 計算機網絡單根光纖構造單根光纖構造 光纖具有圓柱形的形狀，由傳輸光波的玻光纖具有圓柱形的形狀，由傳輸光波的玻璃纖芯以及包圍在纖芯外面的反射層組成，璃纖芯以及包圍在纖芯外面的反射層組成，形成三部分：形成三部分：纖芯、包層和護套纖芯、包層和護套計算機網絡目前使用的光源目前使用的光源 目前使用的光源有兩種：目前使用的光源有兩種：發光二極管發光二極管LED半導體激光半導體激光ILD 按傳輸點模數分類光纖分為按傳輸點模數分類光

22、纖分為單模光纖和多模光纖單模光纖和多模光纖 光纖工作原理光纖工作原理 計算機網絡光纖的工作原理光纖的工作原理高折射率高折射率( (纖芯纖芯) )低折射率低折射率( (包層包層) )光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射計算機網絡單模光纖單模光纖多模光纖與單模光纖多模光纖與單模光纖多模光纖多模光纖計算機網絡光纖與電纜線相比的優缺點光纖與電纜線相比的優缺點 光纖傳輸的優點：光纖傳輸的優點：傳輸的形式是光，所以光纖不會引起電磁干擾也不會被干擾傳輸的形式是光，所以光纖不會引起電磁干擾也不會被干擾光纖傳輸信號的距離比電纜線所能傳輸的距離要遠得多，線路損耗光纖傳輸信號的距

23、離比電纜線所能傳輸的距離要遠得多，線路損耗低低與電信號相比，傳輸頻帶寬，通信容量大。光可以對更多的信息進與電信號相比，傳輸頻帶寬，通信容量大。光可以對更多的信息進行編碼，所以光纖可在單位時間內傳輸比導線更多的信息行編碼，所以光纖可在單位時間內傳輸比導線更多的信息線徑細線徑細,重量輕重量輕抗化學腐蝕能力強抗化學腐蝕能力強光纖制造資源豐富光纖制造資源豐富光纖在應用中的不足之處：光纖在應用中的不足之處：光纖的安裝需要專門設備以保證光纖的端面平整以便光能透過光纖的安裝需要專門設備以保證光纖的端面平整以便光能透過當一根光纖在護套中斷裂（如被彎成直角），要確定位置是非常困當一根光纖在護套中斷裂（如被彎成直

24、角），要確定位置是非常困難的難的修復斷裂光纖也很困難修復斷裂光纖也很困難 計算機網絡3.2.3 無線傳輸介質無線傳輸介質 電磁波譜電磁波譜無線傳輸介質與電磁波譜的某些頻譜對應，電無線傳輸介質與電磁波譜的某些頻譜對應，電磁波沿自由空間傳播磁波沿自由空間傳播傳播速度為光速傳播速度為光速 無線傳輸介質也稱為非導向傳輸媒體無線傳輸介質也稱為非導向傳輸媒體 無線傳輸介質需要無線傳輸介質需要采用電磁波譜的某些可用頻帶采用電磁波譜的某些可用頻帶 計算機網絡電磁波譜的頻譜電磁波譜的頻譜 計算機網絡無線電無線電 無線電通信在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使無線電通信在無線電廣播和電視廣播中已廣泛使用用在低頻段和中

25、頻波段內，無線電波可以輕易的通過障在低頻段和中頻波段內，無線電波可以輕易的通過障礙物，沿地球表面傳播礙物，沿地球表面傳播但信號能量隨著與信號源距離增大而急劇衰減，使得但信號能量隨著與信號源距離增大而急劇衰減，使得傳輸距離收到限制傳輸距離收到限制 在高頻、甚高頻波段內，地表電波會被地球吸收在高頻、甚高頻波段內，地表電波會被地球吸收但會被離地表幾百千米高度的帶電粒子層但會被離地表幾百千米高度的帶電粒子層-電離層反射電離層反射回地面，可以傳播到很遠的距離回地面，可以傳播到很遠的距離 計算機網絡微波傳輸微波傳輸 微波微波(microwave)通信通常是指利用在通信通常是指利用在l GHz10 GHz頻

26、率范圍內的電磁頻率范圍內的電磁波來進行通信波來進行通信和低頻的無線電波不同的是微波是沿著直線傳播的，而不是向各個方和低頻的無線電波不同的是微波是沿著直線傳播的，而不是向各個方向擴散，而地球表面是彎曲的，其傳播距離受到限制向擴散，而地球表面是彎曲的，其傳播距離受到限制在相距幾十公里的距離之間需要建設微波接力中繼站，像接力賽跑那在相距幾十公里的距離之間需要建設微波接力中繼站，像接力賽跑那樣，一站接一站補充能量樣，一站接一站補充能量微波通信的優點是：微波通信的優點是：微波接力通信適應的業務種類多，可以傳輸長途電話、電報、蜂窩移微波接力通信適應的業務種類多，可以傳輸長途電話、電報、蜂窩移動電話、廣播電

27、視、圖像、文本數據等信息動電話、廣播電視、圖像、文本數據等信息微波傳輸的通信信道的容量大微波傳輸的通信信道的容量大微波傳輸質量高，不容易受工業干擾和天電干擾，這兩者的主要頻譜微波傳輸質量高，不容易受工業干擾和天電干擾，這兩者的主要頻譜比微波低的多比微波低的多與同樣效果的有線通信建設比較，微波通信建設周期快、投資少與同樣效果的有線通信建設比較，微波通信建設周期快、投資少微波通信的可靠性高微波通信的可靠性高 計算機網絡紅外線紅外線 紅外線傳輸通信是利用電磁波頻譜紅外頻段進行紅外線傳輸通信是利用電磁波頻譜紅外頻段進行通信通信頻率范圍頻率范圍1012Hz1014Hz，紅外線傳輸主要用于短距離，紅外線傳

28、輸主要用于短距離的通信，通信距離一般在十幾米范圍內的通信，通信距離一般在十幾米范圍內 紅外線的發送與接收裝置硬件相對便宜且容易制紅外線的發送與接收裝置硬件相對便宜且容易制造，也不需要天線造，也不需要天線紅外通信不宜在室外使用紅外通信不宜在室外使用 紅外線傳輸也用于數據通信和計算機網絡紅外線傳輸也用于數據通信和計算機網絡計算機網絡光波傳輸光波傳輸 利用光信號通信的歷史可以追溯到遙遠的古代利用光信號通信的歷史可以追溯到遙遠的古代 激光能直接在空中傳輸而無需通過有形的光導體激光能直接在空中傳輸而無需通過有形的光導體具有能在很長的距離內保持聚焦具有能在很長的距離內保持聚焦(即定向即定向)的特點的特點

29、它和微波通信在直線傳輸上有相似性它和微波通信在直線傳輸上有相似性激光同樣不能被遮擋激光同樣不能被遮擋而且對雨雪和霧都比較敏感，這限制了它的應用而且對雨雪和霧都比較敏感，這限制了它的應用 計算機網絡3.2.4 衛星傳輸衛星傳輸 地球衛星是指圍繞地球轉動的物體地球衛星是指圍繞地球轉動的物體 天體衛星（月亮）和人造衛星天體衛星（月亮）和人造衛星 1962年第一顆人造地球衛星發射成功年第一顆人造地球衛星發射成功開創了天際通信的里程碑開創了天際通信的里程碑 通信衛星可以看作是一個空間微波中繼器通信衛星可以看作是一個空間微波中繼器通信衛星上一般通信衛星上一般1220個異頻雷達接收機，每個都有個異頻雷達接收

30、機，每個都有36MHz50 MHz的帶寬，異頻雷達接收機對相應的波段進行監聽的帶寬，異頻雷達接收機對相應的波段進行監聽上行波束從地面衛星站傳向衛星，下行波束從衛星傳向地面站，下上行波束從地面衛星站傳向衛星，下行波束從衛星傳向地面站，下行波束覆蓋范圍很廣行波束覆蓋范圍很廣 通信衛星與天體衛星的區別在于通信衛星與天體衛星的區別在于返回地面的信號可以在衛星上通過放大器放大返回地面的信號可以在衛星上通過放大器放大 衛星傳輸采用的波段為微波波段衛星傳輸采用的波段為微波波段計算機網絡衛星通信的特點衛星通信的特點 通信與地面兩個節點的位置無關通信與地面兩個節點的位置無關 衛星的一個重要特性是收發器向上千個地

31、面站發送一條報文衛星的一個重要特性是收發器向上千個地面站發送一條報文的時間與向一個地面站發送該報文所用的時間基本相同的時間與向一個地面站發送該報文所用的時間基本相同 衛星傳輸具有很低的出錯率，衛星傳輸具有很低的出錯率，傳播時延是要考慮的傳播時延是要考慮的計算機網絡主要的衛星頻段主要的衛星頻段 計算機網絡通信衛星的高度及類型通信衛星的高度及類型 衛星的軌道周期是確定衛星安放位置的一個重要參數衛星的軌道周期是確定衛星安放位置的一個重要參數 另一個參數稱為范艾倫帶，范艾倫帶是指距離地面的不同另一個參數稱為范艾倫帶，范艾倫帶是指距離地面的不同高度帶上，存在一些受地球磁場影響的帶電粒子層高度帶上，存在一

32、些受地球磁場影響的帶電粒子層計算機網絡3.3 信道復用技術信道復用技術 3.3.1 頻分復用和時分復用頻分復用和時分復用 3.3.2 波分復用波分復用 3.3.3 統計復用統計復用計算機網絡信道復用技術信道復用技術 復用技術用于在一個信道上同時傳輸多路信號，這復用技術用于在一個信道上同時傳輸多路信號，這樣可以充分利用信道的傳輸能力樣可以充分利用信道的傳輸能力 復用可以實現的前提是信道的傳輸能力大于傳輸一復用可以實現的前提是信道的傳輸能力大于傳輸一路信號的需求，體現在兩個方面：路信號的需求，體現在兩個方面：一是信道的帶寬很寬，而傳輸一路信號所需的帶寬很窄一是信道的帶寬很寬，而傳輸一路信號所需的帶

33、寬很窄另一方面是信道的數據傳輸率很高，而一路信號所需的另一方面是信道的數據傳輸率很高，而一路信號所需的數據傳輸率很低數據傳輸率很低 這樣在能力很強的信道上僅傳輸一路信號就很浪費這樣在能力很強的信道上僅傳輸一路信號就很浪費 計算機網絡3.3.1 頻分復用和時分復用頻分復用和時分復用 頻分復用頻分復用(FDM) 是最常用的技術是最常用的技術 信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號所需的帶寬，信道的帶寬很寬，信道的可用帶寬大于一路信號所需的帶寬，把信道劃分為多個子信道，每個子信道傳輸一路信號把信道劃分為多個子信道，每個子信道傳輸一路信號在子信道之間要留有隔離頻帶，對每路信號以不同頻率的載波進行在

34、子信道之間要留有隔離頻帶，對每路信號以不同頻率的載波進行調制，使其適應不同子信道頻段的要求調制，使其適應不同子信道頻段的要求計算機網絡時分復用時分復用TDM 時分復用時分復用TDM（Time Division Multiplexing）技術的依據是）技術的依據是信道的數據傳輸率大于一路信號傳輸所需要的數據傳輸率信道的數據傳輸率大于一路信號傳輸所需要的數據傳輸率可以把傳輸時間分成時間片幀，每一時間片幀包含若干時可以把傳輸時間分成時間片幀，每一時間片幀包含若干時間隙，每個時間隙對應一路信號的若干位間隙，每個時間隙對應一路信號的若干位 計算機網絡時分復用時分復用 頻率 f時間t2 3 42 3 42

35、 3 42 3 411111在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀計算機網絡時分復用時分復用 頻率f時間t3 43 43 411112222 3 42 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀計算機網絡時分復用時分復用 頻率f時間t2424241111 23333 43在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀計算機網絡時分復用時分復用 頻率時間2 32 32 31111 2 344444在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀計算機網絡FDMA和和T

36、DMAFDMA頻率時間TDMA頻率時間用戶用戶C用戶用戶D用戶用戶B用戶用戶A計算機網絡TDM與與FDM的比較的比較 TDM中中每一路信號傳輸占用信道的全部帶寬每一路信號傳輸占用信道的全部帶寬在某一微小的時間間隔只有一路信號在傳輸在某一微小的時間間隔只有一路信號在傳輸 FDM中中每一路信號占用部分帶寬每一路信號占用部分帶寬在某一微小的時間間隔有多路信號在傳輸在某一微小的時間間隔有多路信號在傳輸 在應用中在應用中 TDM適合數字信號的傳輸適合數字信號的傳輸 FDM適合模擬信號傳輸適合模擬信號傳輸 許多應用是先進行許多應用是先進行FDM，然后再進行，然后再進行TDM，即，即兩種復用技術綜合使用兩種

37、復用技術綜合使用計算機網絡3.3.2 波分復用波分復用 在光纖信道上采用波分復用在光纖信道上采用波分復用WDM 波分復用是光的頻分復用波分復用是光的頻分復用 WDM是是FDM的一個變種的一個變種 頻率和波長之間滿足關系式：頻率和波長之間滿足關系式： F c，這里，這里f 為頻率，為頻率，c為光速，為光速，為波長為波長 每根光纖上光信號的波長不同，兩根光纖連接到一每根光纖上光信號的波長不同，兩根光纖連接到一個棱柱或衍射光柵上，兩束光通過棱柱或衍射光柵個棱柱或衍射光柵上，兩束光通過棱柱或衍射光柵合成到一根共享的光纖上合成到一根共享的光纖上 傳輸到遠方的目的地后，再用棱柱或衍射光柵將它傳輸到遠方的目

38、的地后，再用棱柱或衍射光柵將它們分解開，交給接收方們分解開，交給接收方 計算機網絡波分復用波分復用WDM圖示圖示計算機網絡3.3.3 統計復用統計復用 統計復用是對時分復用的改進統計復用是對時分復用的改進 也稱為統計時分復用也稱為統計時分復用STDM（Statistic Time Division Multiplexing） 在時分復用（在時分復用（TDM）中）中 各路信號的時隙是固定分配好了的各路信號的時隙是固定分配好了的 每一路信號與復用的其它各路信號之間的時間每一路信號與復用的其它各路信號之間的時間間隔是固定的間隔是固定的 從這個意義上講，各路信號是同步傳輸的從這個意義上講，各路信號是同

39、步傳輸的計算機網絡統計復用圖示統計復用圖示計算機網絡3.4 數據編碼技術數據編碼技術 3.4.1 數字數據編碼為模擬信號數字數據編碼為模擬信號 3.4.2 數字數據編碼為數字信號數字數據編碼為數字信號 3.4.3 模擬數據編碼為數字信號模擬數據編碼為數字信號 3.4.4 模擬數據編碼為模擬信號模擬數據編碼為模擬信號計算機網絡數據編碼技術數據編碼技術 模擬模擬數據和數據和數字數字數據都可以轉換為數據都可以轉換為模擬模擬信號或信號或數字數字信號信號 計算機網絡3.4.1 數字數據編碼為模擬信號數字數據編碼為模擬信號 為了使計算機數據能在模擬信道，例如模擬電話網上傳輸為了使計算機數據能在模擬信道，例

40、如模擬電話網上傳輸 需要對計算機設備輸出的數字數據或數字信號進行變換為模擬信號需要對計算機設備輸出的數字數據或數字信號進行變換為模擬信號 計算機網絡3.4.2 數字數據編碼為數字信號數字數據編碼為數字信號 用高電平標識用高電平標識1、低電平標識、低電平標識0的二進制數據信號不能直接放在信道上傳的二進制數據信號不能直接放在信道上傳輸，這種不歸零制編碼輸，這種不歸零制編碼NRZ存在接收方無法在連續存在接收方無法在連續1或連續或連續0時區分出每時區分出每一位的問題。一位的問題。解決問題的方法是在（解決問題的方法是在（1/2）T加上同步時鐘信號加上同步時鐘信號計算機網絡3.4.3 模擬數據編碼為數字信

41、號模擬數據編碼為數字信號 脈沖編碼調制脈沖編碼調制PCM（Pulse Code Modulation） 是用于模擬數據編碼為數字信號的技術是用于模擬數據編碼為數字信號的技術PCM技術的實現有三個步驟：技術的實現有三個步驟： 采樣；量化；編碼采樣；量化；編碼PCM技術的實現基礎是依據采樣定理技術的實現基礎是依據采樣定理 計算機網絡PCM技術采樣、量化、編碼的例子技術采樣、量化、編碼的例子 在歐洲和中國采用數字化語音在歐洲和中國采用數字化語音E1傳輸標準，傳輸標準，E1標準數據化標準數據化語音采樣樣本值采用語音采樣樣本值采用256個量化級，每個量化級，每125s一個樣本一個樣本計算機網絡3.4.4

42、 模擬數據編碼為模擬信號模擬數據編碼為模擬信號 模擬數據可以通過電磁感應變化轉換為模模擬數據可以通過電磁感應變化轉換為模擬信號擬信號例如話音數據通過電話系統轉換為模擬信號，例如話音數據通過電話系統轉換為模擬信號，之后在模擬電話網中傳輸之后在模擬電話網中傳輸例如最早的電話系統，這里不再贅述例如最早的電話系統，這里不再贅述計算機網絡3.5 交換技術交換技術 3.5.1 交換技術的用途交換技術的用途 3.5.2 電路交換和報文交換電路交換和報文交換 3.5.3 分組交換分組交換 3.5.4 交換技術的比較交換技術的比較 3.5.5 信元交換信元交換計算機網絡3.5.1 交換技術的用途交換技術的用途

43、交換技術在計算機網絡通信過程中是必須要用到交換技術在計算機網絡通信過程中是必須要用到的的 對于長距離通信傳輸，要用到交換技術對于長距離通信傳輸，要用到交換技術 傳統的交換技術有傳統的交換技術有 電路交換電路交換 報文交換報文交換 分組交換。分組交換。現在較多使用的交換技術有信元交換。用在現在較多使用的交換技術有信元交換。用在ATMATM網絡中網絡中 計算機網絡3.5.2 電路交換和報文交換電路交換和報文交換 電路交換電路交換是面向連接的是面向連接的通信雙方在通信之前先建立一條連接，然后在建立的連通信雙方在通信之前先建立一條連接，然后在建立的連接上傳輸數據，數據傳輸完后釋放連接接上傳輸數據，數據

44、傳輸完后釋放連接 在通信的過程中通信的雙方獨占這一連接。連接建在通信的過程中通信的雙方獨占這一連接。連接建立過程需要一定的時間立過程需要一定的時間若連接經過的節點和線路有空閑的資源則允許連接建立，若連接經過的節點和線路有空閑的資源則允許連接建立，否則不允許建立連接否則不允許建立連接 電路交換適宜實時通信的應用電路交換適宜實時通信的應用生活中的電話通信就是采用電路交換的通信生活中的電話通信就是采用電路交換的通信 計算機網絡電路交換電路交換 A 和和 B 通話經過四個交換機通話經過四個交換機 A 到到 B 的通話先建立一條連接，然后在建立的連的通話先建立一條連接，然后在建立的連接上進行數據傳輸接上

45、進行數據傳輸(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA計算機網絡電路交換電路交換 C 和和 D 通話只經過一個本地交換機通話只經過一個本地交換機 通話同樣是在建立的連接線上通話同樣是在建立的連接線上C到到D上進行上進行(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA計算機網絡報文交換報文交換 報文交換與節點的存儲轉發聯系報文交換與節點的存儲轉發聯系雙方通信的數據組成報文的格式雙方通信的數據組成報文的格式報文是節點之間傳輸的數據報文是節點之間傳輸的數據 節點先接收報文，進行存儲節點先接收報文，進行存儲然后根據線路的情況決定通過線路向其它節點轉發然后根據線路的情況決定通過

46、線路向其它節點轉發 節點的存儲轉發需要一定的時延節點的存儲轉發需要一定的時延 報文交換是無連接的報文交換是無連接的 報文的大小是不固定的報文的大小是不固定的 計算機網絡3.5.3 分組交換分組交換 分組交換也與存儲轉發相聯系分組交換也與存儲轉發相聯系 把需要傳輸的數據（報文）分成長度固定的分組把需要傳輸的數據（報文）分成長度固定的分組 節點對分組進行存儲轉發節點對分組進行存儲轉發 分組的大小比報文小的多分組的大小比報文小的多 在節點的時延比較小，即使傳輸出現差錯，重傳的數據在節點的時延比較小，即使傳輸出現差錯，重傳的數據量也比較小量也比較小 計算機數據的傳輸具有突發性的特點，若采用電路計算機數

47、據的傳輸具有突發性的特點，若采用電路交換來傳輸計算機數據，線路的利用率會非常低交換來傳輸計算機數據，線路的利用率會非常低 只有分組交換適合計算機數據的傳輸只有分組交換適合計算機數據的傳輸 分組交換可以分為分組交換可以分為面向連接的虛電路分組交換面向連接的虛電路分組交換無連接的數據報分組交換無連接的數據報分組交換 計算機網絡分組（報文）交換：存儲分組（報文）交換：存儲-轉發轉發 用用 L/R 秒秒 把把L bits的的分組傳輸分組傳輸 (輸出輸出)到鏈到鏈路上路上 （速率是（速率是R bps） 全部分組在被傳輸到全部分組在被傳輸到下一鏈路前必須到達下一鏈路前必須到達路由器路由器 : 存儲轉發存儲

48、轉發 delay = 3 L/R例子例子: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delay = 15 secRRRL計算機網絡分組交換分組交換: 報文分段報文分段現在把報文分割成現在把報文分割成5000個分組個分組v每個分組每個分組 1,500 bitsv1 msec 分配給每條線路分配給每條線路傳輸分組傳輸分組v途徑途徑: 每條線路并行工作每條線路并行工作v延遲從延遲從 15 sec 降低到降低到 5.002 sec計算機網絡DATADATADATA報文添加首部構成分組添加首部構成分組 每一個數據段每一個數據段(DATA)前面添加上前面添加上首部首部構成分構成分組組(PAC

49、KET)首部首部首部P 1P2P 3計算機網絡分組交換的傳輸單元分組交換的傳輸單元 分組交換網以分組交換網以“分組分組”作為數據傳輸單元作為數據傳輸單元 依次依次把各分組發送到接收端（假定接收端把各分組發送到接收端（假定接收端在左邊）在左邊）DATA首部P 1DATA首部P 2DATA首部P 3計算機網絡收到分組后剝去首部收到分組后剝去首部 接收端收到分組后剝去首部還原成報文接收端收到分組后剝去首部還原成報文DATA首部P 1DATA首部P 2DATA 首部P 3收到的數據計算機網絡數 據數 據數 據最后還原成原來的報文最后還原成原來的報文 最后，在接收端把收到的數據最后，在接收端把收到的數據

50、恢復成為原來的報恢復成為原來的報文文報文1100011010101011010101110001001101011010計算機網絡分組的存儲轉發過程分組的存儲轉發過程H1ABDECH5H6H4H2H3以以H H1 1 向向 H H5 5 發送分組為例發送分組為例路由器路由器主機主機在路由器在路由器 A 暫存查暫存查找轉發表找到轉發找轉發表找到轉發的端口的端口在路由器在路由器 E 暫存，查找轉暫存，查找轉發表找到轉發的端口發表找到轉發的端口在路由器在路由器 C 暫存查找暫存查找轉發表找到轉發的端口轉發表找到轉發的端口最后到達目的主機最后到達目的主機 H5互聯網互聯網計算機網絡3.5.4 交換技術

51、的比較交換技術的比較 圖中圖中A、B、C、D為節點，為節點，A為源節點，為源節點，D為目的節點，為目的節點，垂直方向為時間垂直方向為時間。圖中圖中用時間延遲比較三種交換技術的差異。用時間延遲比較三種交換技術的差異。時間延遲包括連接建立時延、時間延遲包括連接建立時延、信號的傳播時延、數據的傳輸時延，以及節點的存儲轉發時延信號的傳播時延、數據的傳輸時延，以及節點的存儲轉發時延 計算機網絡三種交換的比較三種交換的比較 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4MMMA B C D A B C DA B C D報文交換報文交換電路交換電路交換分組交換分組交換t連接建立連接建立數據傳送數據傳送dataP2

52、P1連接釋放連接釋放數據傳送數據傳送的特點的特點比特流直達終點比特流直達終點報文報文報文報文報文報文分組分組 分組分組 分組分組存儲轉發存儲轉發存儲轉發存儲轉發計算機網絡時延時延(delay 或或 latency) 數據經歷的總時延就是傳輸（發送）時延、數據經歷的總時延就是傳輸（發送）時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和傳播時延、處理時延和排隊時延之和總時延 = 傳輸（發送）時延+傳播時延+處理時延+排隊時延計算機網絡四種時延描述四種時延描述1 0 1 1 0 0 1發送器發送器隊列信號在鏈路上傳信號在鏈路上傳播時產生播時產生傳播時延傳播時延結點結點 B B結點結點 A A在發送器產生在發送

53、器產生傳輸時延傳輸時延(即即發送時延發送時延)在結點在結點 A 中產生中產生處理時延處理時延和和排隊時延排隊時延數據數據以從結點以從結點 A A 向結點向結點 B B 發送數據為例發送數據為例鏈路鏈路計算機網絡3.5.5 信元交換信元交換 信元交換用在信元交換用在ATM網絡中。信元長度是固定的。網絡中。信元長度是固定的。信元可以看作一個很小的快速分組，長度為信元可以看作一個很小的快速分組，長度為53個字節，個字節，其中信頭占其中信頭占5個字節，數據部分占個字節，數據部分占48字節字節 由于信元比較小，在交換節點的時延很小由于信元比較小，在交換節點的時延很小多種媒體信息都劃分或裝配為信元，使在一

54、個網絡中傳多種媒體信息都劃分或裝配為信元，使在一個網絡中傳輸多媒體信息成為可能輸多媒體信息成為可能 計算機網絡3. 6差錯控制技術差錯控制技術 3.6.1 差錯產生的原因差錯產生的原因 3.6.2 差錯控制方法差錯控制方法 3.6.3 海明校驗海明校驗 3.6.4 循環冗余校驗編碼循環冗余校驗編碼計算機網絡3.6.1 差錯產生的原因差錯產生的原因 出現差錯是不可避免的出現差錯是不可避免的 信號在信道上傳輸會受到噪聲的干擾，出現差錯，信號在信道上傳輸會受到噪聲的干擾，出現差錯，差錯是不可避免的差錯是不可避免的 噪聲分為內部噪聲和外部噪聲噪聲分為內部噪聲和外部噪聲 用誤碼率衡量一個信道的質量用誤碼

55、率衡量一個信道的質量 通常用通常用1010的負若干次方描述信道的誤碼率的負若干次方描述信道的誤碼率P P： P P發生錯誤的碼元數接收的碼元總數發生錯誤的碼元數接收的碼元總數 一般在有線傳輸介質信道，誤碼率為一般在有線傳輸介質信道，誤碼率為10的負的負5次方次方 就是說傳輸就是說傳輸10 000位有位有1位錯位錯 計算機網絡3.6.2 差錯控制方法差錯控制方法 數據通信和計算機網絡中的差錯控制方法采用編碼數據通信和計算機網絡中的差錯控制方法采用編碼的方法，分為的方法，分為檢錯編碼和糾錯編碼檢錯編碼和糾錯編碼 按照差錯控制規則計算出校驗碼，校驗碼和發送的按照差錯控制規則計算出校驗碼，校驗碼和發送

56、的數據編碼組成校驗序列（也稱為碼字）一起發送數據編碼組成校驗序列（也稱為碼字）一起發送在接收端根據同樣的差錯控制規則判斷傳輸是否正確在接收端根據同樣的差錯控制規則判斷傳輸是否正確 校驗碼并不是真正要傳輸的數據信息，是為了檢測校驗碼并不是真正要傳輸的數據信息，是為了檢測出差錯所必須的冗余信息出差錯所必須的冗余信息 差錯控制方法分為差錯控制方法分為前向糾錯前向糾錯FEC自動請求重發自動請求重發ARQ 計算機網絡差錯檢測過程差錯檢測過程 數據通信和計算機網絡中的差錯控制方法通常采用編碼的方法，數據通信和計算機網絡中的差錯控制方法通常采用編碼的方法，分為檢錯編碼和糾錯編碼。按照差錯控制規則，在發送端，

57、對分為檢錯編碼和糾錯編碼。按照差錯控制規則，在發送端，對發送的數據信息位（發送的數據信息位（k）進行處理，計算出校驗碼位（）進行處理，計算出校驗碼位（r）計算機網絡前向糾錯過程前向糾錯過程 前向糾錯是在接收端不僅能檢測出錯的位置，而且能夠糾正前向糾錯是在接收端不僅能檢測出錯的位置，而且能夠糾正錯誤錯誤計算機網絡3.6.3 海明校驗海明校驗 1950年年R.Hamming提出可以糾正一位差錯提出可以糾正一位差錯的編碼，稱為海明碼的編碼，稱為海明碼海明碼是前向糾錯碼海明碼是前向糾錯碼 海明碼利用監督關系式的校正因子對一位二海明碼利用監督關系式的校正因子對一位二進制位進行差錯判斷，找到出錯位，糾正就

58、進制位進行差錯判斷，找到出錯位，糾正就比較容易了比較容易了例如把例如把“0”改為改為“1” 海明碼的設計思想是從奇偶校驗碼開始的海明碼的設計思想是從奇偶校驗碼開始的計算機網絡海明編碼的一個對應規則海明編碼的一個對應規則 計算機網絡3.6.4 循環冗余校驗編碼循環冗余校驗編碼 循環冗余校驗編碼循環冗余校驗編碼CRC（Cyclic Redundancy Code）用于用于ARQ差錯校驗方法差錯校驗方法是在數據通信和計算機網絡中用的最多的差錯控制方法是在數據通信和計算機網絡中用的最多的差錯控制方法 CRC編碼又稱為多項式編碼編碼又稱為多項式編碼可以把任何一個由二進制數位串組成的代碼與一個只含可以把任

59、何一個由二進制數位串組成的代碼與一個只含有有0和和1兩個系數的多項式建立一一對應的關系兩個系數的多項式建立一一對應的關系 在實現在實現CRC運算時運算時 k位要發送的信息位對應一個位要發送的信息位對應一個(k-1)次多項式次多項式K(x)，r位冗位冗余位對應一個余位對應一個(r-1)次多項式次多項式R(x)，由，由k位信息位后面加上位信息位后面加上r位冗余位組成的位冗余位組成的n=k+r位碼字對應一個（位碼字對應一個（n-1）次多項式：）次多項式：T(x)=x rK(x)+ R(x)計算機網絡CRC采用的模采用的模2運算運算 計算機網絡ITU-T等國際標準組織制定的等國際標準組織制定的G(x) ITU-T等國際標準組織制定的等國際標準組織制定的G(x)有：有： CRC-16x16+x15+x2+1 CRC-CCITTx16+x12+x5+1 CRC-32x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 計算機網絡3. 7無線與移動通信基礎無線與移動通信基礎 3.7.1 無線通信基礎知識無線通信基礎知識 3.7.2 蜂窩移動通信蜂窩移動通信 3.7.3 全球移動通信系統全球移動通信系統 3.7.4 碼分多址訪問碼分多址訪問 3.7.5 第第4代移動通信及其技術代移動通信及其技術計